المعالجة العادية مقابل TMCP – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

تعتبر الفولاذات المعالجة بالتسخين والتبريد (TMCP) والفولاذات المعالجة بالتسخين العادي من الطرق الشائعة لإنتاج الفولاذ الهيكلي مع توازنات مختلفة من القوة والصلابة والتكلفة. غالبًا ما يوازن المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بين خيارات مثل سهولة التصنيع، ومخاطر اللحام، والخصائص الميكانيكية المقدمة، وتكلفة دورة الحياة الكلية عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية تحديد المواد للأعضاء الهيكلية الملحومة، واختيار الألواح للأوعية الضاغطة، أو اختيار الملفات للأقسام المدرفلة حيث تكون نسبة القوة إلى الوزن والصلابة عند درجات الحرارة المنخفضة حاسمة.

التمييز الأساسي هو مدفوع بالعملية: تعتمد الفولاذات المعالجة بالتسخين العادي على خطوة معالجة حرارية تقليدية لتنقيح البنية المجهرية، بينما تحقق الفولاذات المعالجة بالتسخين والتبريد (TMCP) حجم حبيبات وقوة مصقولة من خلال جداول التدوير والتبريد المتحكم بها مع إضافة عناصر دقيقة، مما يؤدي إلى استراتيجية سبائك مختلفة ومجموعة خصائص. نظرًا لأن كلا النهجين يستخدمان لتلبية متطلبات تطبيقية مماثلة (مثل أهداف العائد/الشد والصلابة عند الصدمات)، فإنهما غالبًا ما يتم مقارنتهما في تطوير المواصفات والتفاوض مع الموردين.

1. المعايير والتسميات

تشمل المعايير الشائعة التي تغطي الفولاذات المعالجة بالتسخين العادي وTMCP:

• ASTM / ASME (الولايات المتحدة الأمريكية): ASTM A36، A572، A709، A515، A516 - العديد من هذه الدرجات يمكن أن تُقدم معالجة بالتسخين العادي أو TMCP؛ تشير الدرجات الفرعية المحددة إلى مستويات المعالجة أو الخصائص الميكانيكية.
• EN / الأوروبية (الاتحاد الأوروبي): EN 10025 (سلسلة S235، S275، S355) - تشمل شروط التسليم المعينة بـ TMCP (مثل S355J2+N حيث تشير “+N” إلى المعالجة بالتسخين العادي، بينما يتم إنتاج بعض درجات S355 وفق طرق TMCP).
• JIS (اليابان): JIS G3101، G3106 للفولاذات الهيكلية - خيارات المعالجة بالتسخين العادي وTMCP موجودة.
• GB (الصين): GB/T 699، GB/T 1591 إلخ - يتم تحديد خيارات HSLA والمعالجة بالتسخين العادي.
• ISO: تشير معايير ISO المختلفة إلى ظروف المعالجة بالتسخين العادي والمعالجة الحرارية.

فئات المواد المرتبطة عادة بكل عملية: - المعالجة بالتسخين العادي: الفولاذات الكربونية والمتوسطة الكربون، وبعض الفولاذات السبائكية، والفولاذات الهيكلية منخفضة السبائك. - TMCP: بشكل أساسي فولاذات HSLA (عالية القوة ومنخفضة السبائك)، غالبًا في الألواح/الملفات للتطبيقات الهيكلية والضغط. - يمكن استخدام كلا المسارين على الفولاذات الكربونية، والفولاذات منخفضة السبائك، وأحيانًا الدرجات المضافة؛ عادةً لا تُعتبر الفولاذات الخاصة بالأدوات والفولاذات المقاوم للصدأ مقارنات “معالجة بالتسخين العادي مقابل TMCP” في الممارسة الصناعية، على الرغم من أن استراتيجيات المعالجة الحرارية أو التدوير القابلة للمقارنة تنطبق.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

عنصر	المعالجة بالتسخين العادي (الفولاذات الكربونية/منخفضة السبائك النموذجية)	TMCP (فولاذات HSLA / المضافة الدقيقة)
C	~0.10–0.60% (يعتمد: منخفض إلى متوسط الكربون)	~0.02–0.18% (محتفظ به منخفضًا لتحسين قابلية اللحام والصلابة)
Mn	~0.30–1.50%	~0.30–1.50% (يستخدم للقوة والصلابة)
Si	~0.10–0.40%	~0.10–0.60% (إزالة الأكسدة، بعض التعزيز)
P	≤0.035%	≤0.030% (محتفظ به منخفضًا)
S	≤0.035%	≤0.010–0.020% (أقل لتحسين الصلابة)
Cr	متغير، منخفض في الكربون العادي؛ قد يكون أعلى للفولاذات السبائكية	عادةً منخفض؛ موجود أحيانًا لدرجات معينة
Ni	موجود في الفولاذات السبائكية؛ ليس شائعًا في HSLA الأساسية	نادر في HSLA TMCP الأساسية
Mo	يستخدم في الفولاذات المصلدة والمقواة؛ ليس شائعًا في TMCP الأساسية	يستخدم أحيانًا بكميات منخفضة للصلابة
V	غالبًا ما يكون غائبًا أو منخفضًا	0.01–0.20% (إضافة دقيقة لتنقيح الحبيبات وتعزيز الترسيب)
Nb (Nb/Ta)	عادةً غائب	0.01–0.06% (تنقيح الحبيبات وتعزيز الترسيب)
Ti	كميات صغيرة ممكنة	0.01–0.03% (استقرار النيتروجين والتحكم في الحبيبات)
B	ليس شائعًا	مستويات منخفضة جدًا من ppm (عشر إلى ppm واحد) قد تُستخدم لزيادة الصلابة
N	منخفض، متحكم فيه	متحكم فيه؛ يستخدم مع Ti لتشكيل نيتريدات مستقرة

ملاحظات: القيم تشير إلى الممارسات الصناعية النموذجية. تعتمد الفولاذات TMCP عمدًا على كميات منخفضة من الكربون وتعتمد على الإضافة الدقيقة (Nb، V، Ti) مع التدوير المتحكم به للحصول على القوة والصلابة، بينما قد تستخدم الفولاذات المعالجة بالتسخين العادي كميات أعلى من الكربون أو سبائك مختلفة لتحقيق الخصائص المطلوبة قبل/بعد خطوة التسخين العادي في الفرن.

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يزيد الكربون من القوة والصلابة ولكنه يقلل من قابلية اللحام والصلابة. تقلل TMCP من الكربون للحفاظ على قابلية اللحام. - توفر الإضافة الدقيقة (Nb، V، Ti) تعزيز الترسيب وتنقيح الحبيبات أثناء التدوير/التبريد الساخن، مما يسمح بقوة عالية دون معالجة حرارية ثقيلة. - يساعد المنغنيز في الصلابة وقوة الشد ولكن الكميات الزائدة من المنغنيز يمكن أن تؤثر على قابلية اللحام. - تعتبر السبائك مع الكروم والموليبدينوم والنيكل أكثر شيوعًا حيث تكون الصلابة العالية أو الخصائص عند درجات الحرارة المرتفعة مطلوبة (غالبًا في الفولاذات المصلدة والمقواة بدلاً من TMCP).

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

المسار المعالج بالتسخين العادي: - يتكون التسخين العادي من تسخين الفولاذ فوق درجة الحرارة الحرجة العليا لتكوين الأوستينيت، ثم التبريد في الهواء. النتيجة هي بنية مجهرية من الفريت والبرلايت (أو الباينيت في بعض السبائك) متجانسة نسبيًا ودقيقة الحبيبات حسب التركيب ومعدل التبريد. - يقلل التسخين العادي من التموج، وينقي حجم الحبيبات، وينتج خصائص ميكانيكية قابلة للتنبؤ عبر السماكة ولكنه عادةً لا ينتج أعلى قوة ممكنة دون إضافة سبائك أو معالجة بالتبريد/التقوية.

المسار TMCP: - تحقق TMCP تنقيح الحبيبات والتحكم في التحول من خلال التدوير المتحكم به في منطقة الأوستينيت يتبعه تبريد متسارع أو متحكم فيه يعزز تشكيل الفريت الدقيق والباينيت، مع ترسيب كربيدات/نيتريدات دقيقة. - ي suppress جدول التدوير والتبريد نمو الحبيبات الأوستينيت الخشنة ويمكّن من تكوين هياكل مجهرية دقيقة جدًا توفر قوة عائد عالية مع صلابة جيدة. - غالبًا ما تظهر الفولاذات TMCP بنية مجهرية مختلطة (فريت دقيق، جزر باينيت، وترسيبات متفرقة) تم هندستها عبر معايير حرارية ميكانيكية بدلاً من معالجة حرارية منفصلة.

سياق التبريد والتقوية (Q&T): - تنتج الفولاذات Q&T (محتوى سبائك أعلى بما في ذلك الكروم والموليبدينوم) مارتنسيت مقوى لتحقيق القوة والصلابة المستهدفة - هذا المسار متميز عن المعالجة بالتسخين العادي وTMCP ولكنه قد يُستخدم حيث تكون الصلابة العالية أو مقاومة التآكل مطلوبة.

4. الخصائص الميكانيكية

خاصية	المعالجة بالتسخين العادي (نطاقات نموذجية)	TMCP (نطاقات نموذجية لـ HSLA)
قوة الشد	~350–700 ميغاباسكال (الفولاذات منخفضة إلى متوسطة الكربون؛ أعلى للدرجات السبائكية)	~400–800 ميغاباسكال (يمكن أن تحقق قوة عائد/شد عالية عند كربون أقل)
قوة العائد	~200–450 ميغاباسكال	~250–700 ميغاباسكال (تعتمد على الدرجة)
التمدد (% في 50 مم)	18–30% (يعتمد على مستوى القوة)	12–25% (عادةً ما تُحافظ على مستويات قوة أعلى من الفولاذ الكربوني)
صلابة التأثير (شربي V-notch)	جيدة إلى جيدة جدًا بعد المعالجة بالتسخين العادي؛ تعتمد على التركيب والسماكة	ممتازة، خاصة عند درجات الحرارة المنخفضة عندما تكون معايير TMCP محسّنة
الصلابة (HB أو HRC مكافئ)	متوسطة؛ تعتمد على الكربون والمعالجة الحرارية	متوسطة إلى مرتفعة نسبيًا؛ قد تكون هناك صلابة أعلى موضعية بسبب الباينيت الدقيق

التفسير: - عادةً ما تحقق الفولاذات TMCP قوة أعلى مع كربون أقل وصلابة أفضل من الفولاذات المعالجة بالتسخين العادي من نفس القوة لأن الهياكل المجهرية الدقيقة وتعزيز الترسيب تحسن توازن القوة والصلابة. - توفر الفولاذات المعالجة بالتسخين العادي خصائص متجانسة وقابلة للتنبؤ ويمكن أن تكون أكثر مرونة عند مستويات قوة قابلة للمقارنة حسب التركيب.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام بشكل أساسي على المعادل الكربوني والسبائك. اثنان من القياسات التجريبية الشائعة هما المعادل الكربوني IIW وصيغة Pcm:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - قد تحتوي الفولاذات المعالجة بالتسخين العادي ذات الكربون الأعلى والسبائك الأكثر على قيم أعلى من $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$، مما يشير إلى حساسية أكبر للتشقق البارد الناتج عن الهيدروجين والحاجة إلى إجراءات اللحام المدفئة/المتحكم فيها. - يتم صياغة الفولاذات TMCP بكميات منخفضة من الكربون وإضافة دقيقة متحكم فيها للحفاظ على المعادلات الكربونية منخفضة؛ وبالتالي، فإنها عمومًا تقدم قابلية لحام متفوقة (متطلبات تسخين أقل) مع الحفاظ على قوة أعلى. - يجب التحكم في عناصر الإضافة الدقيقة (Nb، V، Ti) في الفولاذات TMCP: يمكن أن تزيد من الصلابة محليًا ولكن بشكل عام تكون متوازنة لتجنب عقوبات قابلية اللحام. يجب أن تأخذ إجراءات اللحام في الاعتبار السماكة والقيود ودرجة الفولاذ.

6. التآكل وحماية السطح

تتطلب الفولاذات غير المقاومة للصدأ (سواء المعالجة بالتسخين العادي أو TMCP) حماية سطحية للبيئات التآكلية. تشمل التدابير الشائعة: - الغلفنة بالغمر الساخن - أنظمة الطلاء الواقية (الطبقة الأساسية/الطلاءات العليا) - المعالجات المعدنية (مثل الطلاءات التضحية، أنظمة الدوبلكس)

تخرج الفولاذات المقاومة للصدأ عن المقارنة النموذجية بين المعالجة بالتسخين العادي وTMCP؛ ومع ذلك، عند تقييم مؤشرات مقاومة التآكل مثل PREN، تكون الصيغة:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

هذه المؤشر غير قابل للتطبيق على الفولاذات الكربونية أو الفولاذات HSLA النموذجية حيث أن مستويات الكروم والموليبدينوم والنيتروجين غير كافية لتوفير مقاومة تآكل بمستوى الفولاذ المقاوم للصدأ. بالنسبة للفولاذات الكربونية/HSLA، يتم تحقيق أداء مقاومة التآكل عبر الطلاءات أو الطبقات المقاومة للتآكل.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• القطع: يمكن قطع كل من الفولاذات المعالجة بالتسخين العادي وTMCP بطرق القطع الحرارية أو الميكانيكية القياسية؛ قد تتطلب المتغيرات عالية القوة من TMCP معلمات قطع أكثر قوة بسبب القوة الأعلى.
• قابلية التشغيل: يقلل محتوى الكربون أو السبائك الأعلى من قابلية التشغيل. غالبًا ما تكون الفولاذات TMCP، على الرغم من قوتها الأعلى، ذات كربون منخفض ومحتوى سبائكي محدود، لذا يمكن أن تكون قابلية التشغيل قابلة للمقارنة أو أسوأ قليلاً حسب الصلابة والبنية المجهرية.
• الانحناء/التشكيل: غالبًا ما تكون الفولاذات المعالجة بالتسخين العادي أكثر تسامحًا للتشكيل عندما يكون محتوى الكربون أعلى ولكن القوة أقل. قد تتطلب الفولاذات TMCP ذات القوة العالية انحناءات أكبر أو تسهيلات للتشكيل؛ ومع ذلك، فإن صلابتها الأفضل غالبًا ما تساعد في تجنب التشقق إذا تم التحكم في التشكيل.
• تشطيب السطح والمعالجات بعد التصنيع: قد تُسلم ألواح TMCP بحالة سطحية محسّنة للحام والطلاء؛ كما تقبل الألواح المعالجة بالتسخين العادي عمليات التشطيب القياسية.

8. التطبيقات النموذجية

المعالجة بالتسخين العادي (الاستخدامات النموذجية)	TMCP (الاستخدامات النموذجية)
الأشعة والألواح الهيكلية حيث يُفضل تصنيع الفولاذ التقليدي والمعالجة الحرارية القابلة للتنبؤ (الجسور، أعمدة المباني)	هياكل السفن والهياكل البحرية التي تتطلب قوة عالية عند درجات حرارة منخفضة
ألواح الأوعية الضاغطة عندما يتم تحديد حالة المعالجة بالتسخين العادي للصلابة عند الشقوق	إطارات الآلات الثقيلة والرافعات حيث تكون نسبة القوة إلى الوزن مفيدة
البارزات المتوسطة الكربون والمزورة التي يتم معالجتها بالتسخين العادي للحصول على بنية مجهرية متجانسة	مكونات السيارات وعربات السكك الحديدية حيث تكون القوة والصلابة مطلوبة مع تقليل الوزن
التصنيع العام حيث تكون القوة المتوسطة والمرونة العالية مطلوبة	الفولاذات المستخدمة في خطوط الأنابيب والأنابيب المنتجة بواسطة TMCP لتحقيق قوة عالية وصلابة وقابلية لحام

منطق الاختيار: - اختر المعالجة بالتسخين العادي عندما تتطلب الخصائص المتجانسة، أو الأداء المثبت بعد المعالجة الحرارية، أو متطلبات الشيفرة المحددة المعالجة الحرارية.

اختر TMCP عندما تحتاج إلى نسبة قوة إلى وزن أعلى، وصلابة محسّنة عند درجات الحرارة المنخفضة، وقابلية لحام أفضل عند مستويات كربون أقل للألواح الكبيرة والمكونات الهيكلية.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: يمكن أن تكون الفولاذات TMCP تنافسية من حيث التكلفة لأنها تحقق قوة أعلى مع محتوى سبائكي أقل ودون عمليات تبريد/تقوية كثيفة الطاقة. قد تتكبد الفولاذات المعالجة بالتسخين العادي تكاليف معالجة إضافية في الفرن لكنها تبقى متاحة على نطاق واسع وغالبًا ما تكون أرخص للدرجات القياسية.
• التوافر: الفولاذات المعالجة بالتسخين العادي شائعة في العديد من أشكال المنتجات (الألواح، القضبان، الأنابيب). تتوفر ألواح وملفات TMCP على نطاق واسع من المطاحن الكبرى، خاصة للأسواق الهيكلية وأنابيب الخط؛ قد تكون بعض الكيميائيات الخاصة بـ TMCP أو الدرجات عالية القوة جدًا لها أوقات تسليم أو متطلبات حد أدنى من الكمية.

اختلافات شكل المنتج: - TMCP شائعة بشكل خاص للألواح الثقيلة والملفات حيث يمكن تنفيذ التدوير المتحكم به والتبريد المتسارع في الإنتاج. المعالجة بالتسخين العادي شائعة للأقراص، والمزورات، وبعض درجات الألواح.

10. الملخص والتوصية

السمة	المعالجة بالتسخين العادي	TMCP
قابلية اللحام	جيدة إلى عادلة (تعتمد على الكربون وCE)	بشكل عام أفضل (كربون منخفض + إضافة دقيقة)
توازن القوة والصلابة	جيد (يعتمد على الكربون/السبائك)	ممتاز (قوة عالية مع صلابة جيدة)
التكلفة	متوسطة؛ متاحة على نطاق واسع	قابلة للمقارنة مع المتوسطة؛ فعالة للقوة العالية
سهولة التصنيع	مرونة عالية للتشكيل	تتطلب تصميمًا لقوة أعلى ولكن مع صلابة جيدة

اختر المعالجة بالتسخين العادي إذا: - كانت تطبيقاتك أو الشيفرة تحدد حالة تسليم معالجة بالتسخين العادي من أجل استقرار الأبعاد، أو استجابة قابلة للتنبؤ بعد التشغيل، أو كنت بحاجة إلى قوة متوسطة مع مرونة عالية. - كنت تعطي الأولوية لمواصفات المواد الأبسط، وتوافر الموردين الواسع، والأداء المثبت في الهياكل الملحومة حيث يكون الكربون الأعلى مقبولًا مع إجراءات لحام متحكم فيها.

اختر TMCP إذا: - كنت بحاجة إلى قوة أعلى مع صلابة محسّنة عند درجات الحرارة المنخفضة وقابلية لحام أفضل عند محتويات كربون أقل - خاصة للألواح الثقيلة، والهياكل البحرية، وأنابيب الخط، أو التطبيقات حيث يكون تقليل الوزن مهمًا. - كنت تبحث عن مسار فعال من حيث التكلفة لتحقيق قوة عائد أعلى دون اللجوء إلى سبائك ثقيلة أو معالجة تبريد وتقوية.

ملاحظة أخيرة: يجب أن يأخذ اختيار المواد في الاعتبار تسميات الدرجات المحددة، وسلوك التبريد المعتمد على السماكة، ومواصفات إجراءات اللحام، ومتطلبات الشيفرة المعمول بها. تفاعل مع المطاحن وبيانات الاختبار (تجارب الشربي، الشد، واللحام) عند تأهيل فولاذ معالج بالتسخين العادي أو TMCP لتطبيقات حرجة.